高壓電力設備在線監(jiān)測技術 第9章 電機在線監(jiān)測與診斷.ppt

1、第九章 電機在線監(jiān)測與故障診斷,On-line monitoring and fault diagnosis for Motor,1,本章內容,電機的故障特點與診斷內容 放電的監(jiān)測 微粒的監(jiān)測 振動的監(jiān)測 溫度的監(jiān)測 發(fā)電機氣隙磁通密度監(jiān)測 發(fā)電機氣隙間距的在線監(jiān)測 發(fā)電機勵磁碳刷火花監(jiān)測 發(fā)電機的軸電壓監(jiān)測 轉子繞組的絕緣電阻和平均溫度監(jiān)測 電機壽命的預測,2,3,9.1.1 背景,4,全美電機系統(tǒng)消耗了19%的總能源，57%的電力能源； 在制造業(yè)，電機消耗了70%以上的電能； 在過程工業(yè)，電機消耗的電能占全廠90%以上。,每年度成本核算中，附加消耗分布為停產損失93.6%，附加能量消耗3.

2、1%，電機壽命降低1.2%，常規(guī)消耗2.1% 。,EPRI的報告,9.1.1 背景,5,根據 EPRI的報告： 電機故障的 53%源于機械原因，如軸承故障、不平衡、松動等； 47%源于電氣原因； 這其中，10%源于轉子，如鑄件缺陷導致的不平衡氣隙、斷條等； 37%源于定子繞組。,電機故障源于何處？,9.1.1 背景,6,引起故障的外在因素,9.1.1 背景,為什么要狀態(tài)監(jiān)測？ Why condition monitoring?,一個新的資產管理的平臺! 提高生產能力 Increased production pace 運行在收支平衡之上 Ongoing “cost shavings” 生產中斷

3、不可容忍 Production disruptions are economically intolerable 世界級的生產運營需要可靠性維護 World Class Performance requires reliable production,管理者策略Management Strategies,Utilizing existing machinery 合理利用現(xiàn)有設備 (New machines or existing? 購置新設備還是利用現(xiàn)有設備) Increase Speed 增加生產速度 Improve Quality 提高質量 Increase Availability 增加

4、有效生產時間 Lower the costs 降低成本(Energy, raw material, personell costs, etc.),當前狀況 Todays Situation,維修部門從單純的維修，逐漸轉變成為確保企業(yè)生產能力的高級職能單元 維修費用占企業(yè)生產總成本的 4%到14% 維修費用所占比例大于企業(yè)利潤率 故障停機異常昂貴，遠遠超過維修費用,冰山一角潛在的危機 The hidden possibility,杜邦模式 The Du Pont model,Profit 利潤,Contribution margin 毛利,Revenue 總產值,Direct costs 直接成

5、本,Common costs 常規(guī)消耗,Total assets 總投資,Current assets 流動資金,Fixed assets 固定資產,Rate of return 投資回報率,+,%,狀態(tài)監(jiān)測的成效 Impact of Condition Based Maintenance,利潤,毛利,總產值,直接成本 能耗 實驗費用 安全成本 工作環(huán)境改善 環(huán)保要求,常規(guī)消耗 維修與維護 人員工資 實驗 等等,總投資,流動資金,固定資產,投資回報率,+,%,總預期產值 Potential revenue,OPE 生產損失 時間損失 質量損失 速度損失,優(yōu)化運營 Optimizing perf

6、ormance. Measure - compare - improve,0.003,World Class Performance. 現(xiàn)代管理戰(zhàn)略 Modern management strategy,OPE. 總運營有效率 Overall Performance Effectiveness,Max. Prod.,速度損失,質量損失,不可得時間,OPE,生產時間,有效生產速度,World Class Performance 85%.,生產損失 Loss of contribution. Overall Performance Effectiveness,100 h 90 h,A = 0.9

7、(時間因子),90 ton/h 81 ton/h,P = 0.9 (速度因子),81 ton 73 ton,Q = 0.9 (品質因子),OPE = 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.73 x 100% = 73%,有效生產時間,有效產品質量,如何實現(xiàn) WCP什么最重要？What is most important?,做正確的事 To do the correct thing 把事做正確 To do things correct,RCM戰(zhàn)略 Strategy for RCM,清潔與潤滑 Cleaning and lubrication 設備改造 Design out 2) 提高運行壽命

8、Increase lifetime 狀態(tài)監(jiān)測 日常維護保養(yǎng) CM- normal operation 狀態(tài)監(jiān)測 有計劃的停機 CM - planned stop 5) 定期維修 Time based 6) 備用策略 Redundance 7) 事后維修 Corrective,泵 (101 ),電機 (83),風機 (26),53 +/- 15,94 +/- 24,113 +/- 60,Variation with confidence level of 95%.,預警時間 Prewarning time.,Machines ( no. of incidents),Days,1）阻抗不平衡導致的

9、電機效率的降低,電機運行的可靠性分析,2）阻抗不平衡導致功率因數(shù)的降低,3）阻抗不平衡導致電機損耗,4）阻抗不平衡導致溫度上升,5）附加的溫升導致電機壽命的降低,24,機械故障 軸承 軸/軸承座 振動 測試方法 振動 紅外 超聲,電機,電氣故障 繞組短路 絕緣不良 污染 轉子故障 氣隙 測試方法 振動 絕緣測試 耐壓、沖擊試驗 歐姆表 電流/電壓表 超聲 紅外,電機,耦合(對輪或皮帶),故障 不對中/不對正 帶/鍵 磨損 張力不當 皮帶輪磨損 測試方法 振動 紅外,負載 (風機, 泵, 壓縮機, 齒輪箱, 等),負載故障 部件疲勞 (例如: 密封) 部件失效 (齒輪, 葉片等) 軸承失效 測試

10、方法 振動 紅外 超聲,28,29,常規(guī)診斷方法絕緣電阻測試,電機絕緣測試一直是電機檢測中重要一環(huán)，繞組對地絕緣的狀態(tài)決定了其在運行狀態(tài)中的安全性，因此在投產前、檢修后，它是常規(guī)檢測中必不可少的測試項目。,30,常規(guī)診斷方法介質吸收比與極化指數(shù),31,常規(guī)診斷方法高壓沖擊對比實驗,32,電機靜態(tài)診斷方法的誤區(qū)！,搖表就可解決問題錯誤！ 對地絕緣問題僅占電機系統(tǒng)故障中5%以下 電橋可以檢測到匝間短路錯誤！ 認為三相平衡是電阻值的平衡是錯誤的； 運行中三相電流的平衡與否要看三相阻抗是否平衡； 匝間短路的發(fā)展與阻值的降低不成正比！ 使用匝間耐壓試驗儀？ 破壞性試驗； 波形復雜，難以分析； 有些匝間短

11、路的情況在波形上無反映； 設備笨重。,33,靜態(tài)電機電路分析技術,交流電機等效電路分析,電阻 R 電感 L 電容 C 感抗 XL= L 容抗 XC= 1 / (C) 阻抗 Z2= R2+(XL - XC)2 相角 Fi=,34,三相不平衡的原因之一：特殊設計,定、轉子的相對位置及定子繞組的設計； 定子的類型：由于相對核心的磁路關系，疊繞型電感相間相等，而同軸型則存在少量的不平衡；,35,三相不平衡的原因之二：故障,轉子故障： 鑄件缺陷 氣隙不均衡 偏心 斷條斷環(huán),定子繞組故障 匝間、線間(層間)、相間短路； 絕緣缺陷(磁通集中至缺陷點),36,例：三相平衡,三相電機 460V、60Hz、10H

12、P，滿負荷14A,線間阻抗：,ZAB =VAB / IAB 32.945 = 650.5120V /19.875A,37,發(fā)生繞組短路，導致阻抗、相角不平衡：,產生三相電流不均衡：,38,繞組短路的監(jiān)測方法 I/F測試,I/F值標志著繞組短路過程中，電感的失效程度,39,交流電機的靜態(tài)監(jiān)測,40,電機靜態(tài)監(jiān)測的 IEEE 標準,以下評判標準是基于美國能源部 及 IEEE 15年的考核：,阻抗測試較直阻R的測試更精確，I/F用于評估故障源于定子還是轉子，且能夠診斷早期匝間短路等故障。,41,靜態(tài)監(jiān)測 快速故障診斷,42,靜態(tài)監(jiān)測 快速區(qū)分短路類型,相角 與 I/F的對應關系 ： Fi 與 I/F

13、 +/- 2 同相、同繞組的匝間短路； Fi +/- 1, I/F 平衡 同相繞組中線圈間短路（層間短路）； Fi 平衡, I/F +/- 2 相間短路； 此結論與電機大小無關 電阻 +/- 5%,43,線間短路與相間短路,44,靜態(tài)監(jiān)測 快速區(qū)分定子 快速區(qū)分定子/ /轉子故障,IEEE Penrose定理,45,靜態(tài)監(jiān)測 轉子電磁特性評估,46,鑄造缺陷,畸變發(fā)生在側邊(上升或下降段)，導致少量二倍頻振動； 畸變發(fā)生在波峰或波谷時(出現(xiàn)扁平帶)，降低電機輸出轉矩。,IEEE Penrose定理,47,鑄造缺陷與斷條,48,斷條,49,實例：匝間短路,電阻、阻抗、電感都維持平衡，但I/F與F

14、i角有一定偏差，這種情況一般發(fā)生在具有大阻值繞組的小功率電機中的單匝短路。,50,實例： 300kW電機多次軸承失效,300 kW, 3600 RPM 連續(xù)多次發(fā)生軸承失效 負載電流分析發(fā)現(xiàn)非標準信號 轉子電磁特性測試結果說明存在鑄造缺陷，同時存在偏心，最大的可能是軸套定位偏差。,51,實例： 轉子斷條,振動分析沒有發(fā)現(xiàn)根源； R、Fi、I/F均無大的偏差，而Z、L偏差很大； 轉子測試發(fā)現(xiàn)斷條。,52,監(jiān)測結果分析,53,電機電氣信號分析技術,頻域分析,時域分析,54,頻域分析,從時域波形轉換成頻譜圖,55,頻譜分析法 每種故障有其對應的特征頻率。 據此確定機器的故障性質和嚴重程度。 趨勢分析

15、法、頻譜趨勢分析法 根據劣化曲線，振動的通頻幅值(特征頻率幅值)隨故障的發(fā)展而增大。 據此監(jiān)視機器的健康狀態(tài)，并推測其壽命。,56,帶滾動軸承的機械的頻譜特點,57,時域分析,58,9.2 放電的監(jiān)測,局放量的定位技術 如何區(qū)分局放源 局放在線監(jiān)測技術,59,9.2.1 局部放電源的識別,頻域分析 - 人工缺陷 - 繞組劣化 局放圖譜 - 極性 - 局放間隔，相位角,試驗方法,需要更多的圖譜分析技術 頻域分析需展開進一步研究 需考慮復雜模式的局放傳播規(guī)律,結論,9.2.1 局部放電源的識別,9.2.1 局部放電源的識別,繞組末端上的表面放電,9.2.1 局部放電源的識別,槽放電模擬,9.2.1

16、 局部放電源的識別,脈沖信號的傳播特性 - 校準信號 - 高壓下的局部放電信號 傳播局放信號測量方法 - 頻域分析 - 波形,試驗方法,9.2.2 局部放電定位技術,校準信號傳播具有選頻特性 局放傳播的復雜行為 很難解釋繞組端部效應,結論,9.2.2 局部放電定位技術,局放信號的傳播特性,脈沖傳播氫發(fā)電機模擬器,脈沖傳播,傳播波形,水力發(fā)電機 - PDA : 在線監(jiān)測 - PDM : 連續(xù)監(jiān)控儀 火力發(fā)電機 - TGA :在線監(jiān)測 - GODS :連續(xù)監(jiān)控 高壓電動機 - HVMMS : 遠程連續(xù)監(jiān)控,9.2.2 局部放電監(jiān)測技術,噪聲抑制技術 - 濾波器 - 時間窗 - 傳播選頻特性 - 圖

17、譜分析 傳感器 - 經濟的，便于安裝 - 固定的:溫度，局放,頻率范圍 - 1 MHz 100 MHz 具有在線監(jiān)測系統(tǒng)的旋轉電機,核能發(fā)電機GODS,發(fā)電廠在線監(jiān)測系統(tǒng),陶瓷傳感器,一種新型局放監(jiān)測傳感器,極性鑒別 差分 放大,on-line sensor,on-line sensor,on-line sensor,定子繞組,A,B,C,內置的在線監(jiān)測系統(tǒng),電動機,頻率響應 : 高于10 MHz,安裝在楔子表面,局放傳感器,經過濾波器 (30 MHz-80 MHz 帶通濾波) 和噪聲抑制的結果,Response to PD,Response to PWM,10 m V/div, 500 n

18、sec/div,500 m V/div, 2 sec/div,PWM + PD,10 m V/div, 200 n sec/div,100 m V/div, 200 n sec/div,倒相反饋電機的局放監(jiān)測,時延 微秒,時延 納 秒,局放定位技術,葛洲壩電站最優(yōu)維護信息系統(tǒng),19F局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)的采集分析過程如下：在每相安裝雙傳感器，利用放電脈沖信號和外界干擾信號到達兩個傳感器的時延的不同，以消除隨機脈沖型干擾，同時利用數(shù)字濾波幅值鑒別動態(tài)閥值等處理方法濾除其他干擾。傳感器耦合到的六路信號進入信號調理單元后，經由多路開關選通其中一相對應的兩路信號進行放大（衰減或者直通）處理，然后

19、進入采集卡轉化為數(shù)字信號后進入下位機，再把數(shù)字信號傳入上位機和最優(yōu)維護系統(tǒng)實施監(jiān)控和數(shù)據處理。,發(fā)電機局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據,正常運行時的數(shù)據，最大放電幅值Qm為20mv左右，放電量NQN為50 mv左右。圖中黃、綠、紅分別表示A、B、C三相。,2006-04-06日以后監(jiān)測的數(shù)據明顯增大，最大放電幅值Qm為30mv，放電量NQN為2500 mv左右。,2006年4月18日19F機組停機進行C修。發(fā)電分部員工在進行發(fā)電機內部檢查時，在 670、671線棒上端絕緣盒之間發(fā)現(xiàn)一段直徑10mm的金屬軟管。,經過對670槽和671槽下層線棒認真地檢查，在兩根線棒的背面、端箍底部離槽口10公分處

20、發(fā)現(xiàn)線棒絕緣已經被金屬軟管磨損。其中，671號線棒上端有直徑10mm的半圓磨痕，670號線棒上端的棱角處有兩個缺口，二者磨痕深度都在2-3mm左右，磨痕周圍呈黑色。這些現(xiàn)象表明670槽和671槽已經放電受損，必須進行處理。如圖所示：,處理過程 （1）將兩根線棒放電部位的絕緣層修理圓滑，無棱角、突出部分，并用酒精清理干凈。施工時避免擴大、加深損壞的絕緣層。 （2） 調制環(huán)氧膠并記錄，將修理后的絕緣層用環(huán)氧膠和環(huán)氧泥進行修補。先涂刷一層環(huán)氧膠，再用環(huán)氧泥修補凹處至高出原絕緣層，最后再刷一層環(huán)氧膠。,（3）將云母帶裁減成810cm長的云母片，粘貼兩層在環(huán)氧膠上，用玻璃絲帶壓緊固定云母片至與原絕緣平齊

21、。固化12小時后拆除玻璃絲帶。檢查云母片與原絕緣層完全搭接嚴實，無間隙。 （4）在處理部位刷環(huán)氧膠，用玻璃絲帶半疊繞包扎3層，每包一層刷一遍環(huán)氧膠。 （5）待環(huán)氧膠固化后圖刷188聚酯晾干紅瓷漆2遍。,處理后局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據 2006-04-25日16時開機后放電幅值及放電量起始比較大，和處理前相比略微減小，但開機8小時后明顯減??；放電幅值與正常運行相同，為20mv左右；放電量A相較大，在900mv左右，B、C兩相與正常一樣，在50mv左右。,2006-04-25日16時開機后至2006-04-27日6時的數(shù)據如下圖：,2006-06-4日12時2006-06-09日02時波形見

22、下圖：,從圖中可以看出，19發(fā)電機A、B、C三相放電幅值均小于等于50mv，放電量除個別點外，均在500mv以下；A相放電幅值和放電量的變化較為平穩(wěn)，B、C相放電量有個別點突變，C相有1040mv，三相均無發(fā)散現(xiàn)象。因此，可以判斷發(fā)電機三相定子繞組絕緣基本無異常 。,93,9.4 振動的監(jiān)測,轉子 機械損傷 污染物堆積 軸彎曲 軸孔偏離中心,風扇,齒輪 機械損傷 軸孔偏離中心,滑輪/槽輪,飛輪,軸,94,葉輪 機械損傷 腐蝕,聯(lián)軸器 機械損傷 軸孔偏離中心,電氣繞組 銅線分布不均,鑄造缺陷,熱膨脹,軸孔太大,95,靜不平衡振動特征,力偶不平衡振動特征,動不平衡特征,懸臂轉子不平衡特征,96,不平衡振動特征,同一軸承上H與V振動相位差約為90度（+/-30度）。如果存在1X較大的振動，但是，H與V方向振動相位差為0度或接近180度，通常這說明是其他故障源，例如偏心。 兩側軸承的H方向振動的相位差應該接近V方向振動的相位差。 徑向方向(H和V)振動通常比A方向振動大許多(除了懸臂轉子之外) 在徑向方向呈現(xiàn)穩(wěn)定的、可重復的振動相位。 共振有時可能受不平衡的影響較大。 不平衡對轉子產生過大振動的影響可能很大。事實上，在有些剛度較低的軸承座上，不平衡的轉子盡管很小的殘余不平衡量，也還會出現(xiàn)不平衡振動，動平衡還是可明顯減小松動引起的振動。但是，往往無法平衡有松動的轉子。,97,9.7 軸線不